膨胀性软破岩层深竖井施工分级支护研究

境外某铜金矿千米深竖井在通过膨胀性软破岩层(泥灰岩)时,围岩遇水膨胀压力极大,先后出现两次井壁垮塌和开裂的情况,对施工进度及施工人员安全产生极大影响。为解决该问题,查找相关文献资料及国内外类似施工案例,对通过膨胀性软破岩层的井壁破裂机理进行分析,针对性地制定井壁破裂修复方案;在此基础上,进一步调查施工地点的工程地质和水文地质情况,通过分析与总结,提出深竖井不良岩层的施工及分级支护方案,对其所穿过的膨胀性软破岩层的围岩制定分级表,根据不同岩体等级分别提出相应的施工及具体支护方案。通过对两次破裂处井壁的修复,较长时间内未出现裂缝及漏水现象,修复效果良好,达到预期;此外,竖井井筒后续施工中在采用分级支护方案后,井筒顺利通过厚度超过500 m的不良岩层,且在工期、质量、安全三个方面都取得良好效果,保障该深竖井工程的施工质量与施工安全。该工程为膨胀性软破岩层中的深竖井掘进施工积累了宝贵经验,对类似工程具有一定的借鉴意义。

顺层偏压挤压性软岩隧道让压预留变形角支护技术研究

针对顺层偏压挤压性软岩隧道的非均匀大变形问题,提出一种基于钢拱架预留变形角的新型让压单元。基于三维精细化建模分析顺层偏压荷载下让压预留变形角支护的承载特性和效果,并应用于中老铁路甘庄隧道,验证新型让压预留变形角支护技术的可行性。研究结果表明:1)顺层偏压荷载下隧道支护结构以弯曲变形为主,传统让压柔性节点在弯矩内力作用下易发生受拉破坏,让压预留变形角能有效释放拱架的弯矩内力,适应更大的弯曲变形;2)顺层偏压荷载作用下,采用让压预留变形角的钢拱架整体应力水平明显降低,拱架整体的承载能力满足强度要求;3)工程现场采用局部扩挖和设置钢拱架让压预留变形角后,隧道变形在断面开挖18 d以后控制在允许范围内,初期支护的应力集中现象减弱,钢拱架主体不再发生弯曲破坏。

软硬地层构造危岩体的稳定性及弹跳曲线分析

软硬地层构造中的危岩体稳定性一直是地质工程领域的研究热点之一。危岩体的稳定性受到地层构造、地质构造、岩石性质等多种因素的影响,而这些因素之间的相互作用关系复杂,难以简单地进行定量分析。对此,本文通过工程实例对此进行危岩崩塌地质灾害进行分析,进而计算弹跳曲线和最大冲击能,在此基础上提出防护方案,以期为其他工程提供有益的参考和借鉴。

上软下硬复合地层隧道开挖围岩变形及应力特征研究

软岩隧道开挖时围岩变形较大,且容易发生失稳破坏。以桂林市某引水隧洞工程为例,基于现场监测及数值模拟的方法分析隧洞开挖后围岩的稳定状态。为进一步探究开挖断面区域上软下硬地层不同占比条件下,隧道开挖围岩稳定状态的变化机制,通过有限元分析软件ABAQUS对开挖断面区域软岩地层占比分别为0%、25%、50%、75%、100%五种工况条件下隧道开挖围岩的稳定状态进行研究。研究结果表明:数值模拟和现场监测数据吻合性较好;隧道开挖后最大主应力在地层分界处有明显分界现象;随着上部软岩占比的增大,监测断面处水平位移由向外扩张变形转为向内侧的收敛变形,拱顶沉降逐渐增大,底板隆起在占比为75%之前变化不大,在全软岩断面时变形量会远大于其他模型。

半硬半软岩层小净距隧道洞口段监测分析

针对雷公浦小净距隧道后行左洞洞口段具有半硬岩层半软岩层的特点,在开挖过程中,按照新奥法对隧道地表沉降、拱顶下沉、水平收敛、中间岩柱的位移、锚杆轴力、围岩压力和钢拱架应力等项目进行监测。监测结果表明,采用预留核心土法可以较好地控制围岩变形和应力;后行洞的拱顶沉降大于先行洞,且软岩一侧的下沉量更大;中间岩柱较薄弱,开挖初期往先行洞方向移动;降雨对围岩变形和压力影响较大,施工中应引起重视。研究结论可为类似条件下工程的设计、施工和监测提供借鉴。

软弱夹层与结构面的力学参数反演

为了克服利用传统的目标函数难以精确反演软弱夹层与结构面力学参数的困难。首先分析了其原因 ,指出是由于在传统目标函数中力学参数的灵敏度是岩层厚度的正比函数。随后引进了岩体宏观应变的概念 ,构造了一种新的目标函数。利用该目标函数可克服力学参数灵敏度的尺寸效应 ,增加软弱夹层与结构面力学参数在目标函数中的灵敏度 ,因而可以准确地反演出层状岩体中软弱夹层与结构面的参数。

西部软岩地层基于内外壁联合承载的冻结井壁减薄方法

为解决深部软岩地层冻结井筒内壁设计厚度较大问题,运用煤矿立井井筒设计理论和锚杆支护理论,研究了冻结井筒内层井壁、外层井壁和围岩的联合承载受力机理,提出了一种新型井壁结构形式和内层、外层井壁厚度减薄方法,即在井壁围岩中打入短锚杆,锚杆端头浇筑在外壁内部,并将锚杆端头闭锁的钢丝绳连接在内壁钢筋上,通过不同结构联合承载的方式提高内壁和外壁的承载能力,进而减薄井壁厚度。以内蒙古红庆河煤矿副井-640~-660 m冻结段为研究对象,通过理论计算得出了采用新型井壁结构形式后的井壁厚度,其中新型内层井壁厚度较原井壁可减薄12.5%,外层井壁厚度可减薄20%;结合数值模拟手段,给出了新型井壁中的应力传递过程。数值计算表明:新型内层井壁内缘混凝土的压应力值为24.5 MPa,小于原内层井壁内缘混凝土压应力值,验证了新型井壁结构的安全性和可靠性;新型井壁结构中,锚杆和钢丝绳传递的外力主要由外壁的刚性变形承担,锚杆在软岩地层中提供的锚拉作用很小,工程应用时可以缩短锚杆的钻入长度,避免锚杆钻入过程中打穿偏斜的冻结管。这种新型井壁结构将外层井壁强度通过钢丝绳和锚杆连接纳入到了内层井壁的承载体系中,提高了内层井壁的承载力,减薄了井壁厚度。

海下采煤软弱覆岩导水断裂带发育高度研究

龙口矿区海域煤层开采后软弱覆岩导水断裂带的发育高度直接影响了海下安全开采。在分析龙口矿区海域软岩工程地质特征的基础上，运用有限差分法、相似材料模拟试验并结合现场实测资料，研究了海下采煤软弱覆岩变形破坏规律。结果表明：煤层顶板软岩剪切破坏后，裂隙连通性及导水性相对较弱，岩体仍具有一定阻水能力；海底煤层开采后，覆岩垂直剖面由上至下分为剪切破坏带、拉剪破坏带和拉伸破坏带；开采过程中，导水断裂带高度随工作面推进逐渐增加，并最终达到稳定；6m厚煤层采全高时，导水断裂带发育高度为48．2～55．0m。最后，经统计提出了海下采煤软弱覆岩中导水断裂带发育高度的计算公式。

软岩巷道的支护机理及应用

针对大雁矿物局下属二矿在高应力软岩巷道的支护机理及支护方式存在的问题,通过对软岩巷道的非线性大变型及蠕变规律的分析,运用耦合支护理论提出通过改进支护手段增加围岩的自撑能力,在锚喷网支护过程中锚索的运用,在二次支护时间上如何把握,及关键层的控制等问题上提出了一些合理化建议。

长环形支架(U型钢)耦合加固技术研究与应用

探讨了锚网索+长环形支架(U型钢)的"双壳"加固二次支护方法,在陶二煤矿首采区回风上山进行了二次支护技术工业性试验,在巷道中共施工40组长环形支架进行试验。结果表明,首采区回风上山巷道两帮及顶底板变形量趋于平稳,巷道变形得到有效控制,达到预期支护效果。

软弱覆岩下厚煤层综放开采导水断裂带高度计算

为得到蒙东地区无软弱覆岩层地质条件下特厚煤层综放开采导水断裂带的准确测算方法,以神华大雁矿业公司敏东一矿02工作面为例,分别采用煤矿防治水经验公式、"三下"采煤计算公式等方法计算导水断裂带高度;同时,采用FLAC^(3D)软件对煤层顶板覆岩破坏对覆岩导水断裂带发育过程进行模拟,分析了不同推进距离下的导水断裂带发育高度,采用塑性区分布法,得到了导水断裂带发育高度"突变"和"稳定"2种状态与回采工作面的推进距离。经计算,3种方法得到的导水断裂带高度分别为93.12、26.67和88.00 m,而采用现场钻探观测表明导水断裂带高度为83.78 m。实测数据表明,蒙东地区软弱覆岩特厚煤层综放开采条件下冒采比为5,裂采比为11。

不同块度煤系软岩崩解性室内试验研究

煤系软岩遇水易软化崩解,基于不同块度煤系软岩的崩解性室内试验,探讨了干湿循环作用下煤系软岩耐崩解性指数和崩解物粒径分布的变化规律,并分析了产生崩解的原因。试验结果表明:(1)随着干湿循环次数的增加,煤系软岩耐崩解性指数呈指数关系降低,且降幅主要发生于前3次循环,并以第一次干湿循环所致降幅最大;(2)不同块度煤系软岩的崩解物均可定名为级配不良砂,其中0.5～5 mm粒径的颗粒含量能较为清楚地反映煤系软岩崩解进程,故建议该粒径范围作为评定煤系软岩崩解稳定的标准之一。

软岩嵌岩长桩嵌土段工作机理研究

通过系统的数值模拟,对软岩嵌岩长桩嵌土段的工作机理进行了分析,认为嵌岩使得桩周土体中附加应力分布集中;同时,相对于具体工程条件,桩的嵌岩深度存在一最优值.

基于参数劣化的软硬相间顺层边坡稳定性研究

三峡库区侏罗系地层具有独特的软硬相间的岩性组合和结构特征,侏罗系砂泥岩软硬相间地层是该地区典型的易滑地层,是滑坡集中发育的地层之一,也是三峡库区滑坡防治工作中的重点区域。为深入研究软硬相间层状岩质边坡的稳定性,通过对理论概化模型的分析,构建了软硬相间顺层岩质边坡的参数劣化计算模型。考虑风化作用对岩体结构面抗剪强度参数劣化的影响,引入空间变异函数,提出软硬相间层状岩质边坡结构面抗剪强度参数劣化模型,导出软硬相间层状岩质边坡沿层面方向抗剪强度参数劣化的函数表达式,表征了分析点的风化影响厚度与其强度参数的一一对应关系,有利于边坡稳定性的定量分析。利用该函数表达式对沿层面方向岩体的强度参数进行劣化,利用劣化后的强度参数进行稳定性评价,得到分析点至坡面距离与该点稳定系数的对应关系曲线,并结合三峡库区边坡实例进行了验证分析,指出软硬相间层状岩质边坡岩体抗剪强度参数的劣化对其稳定性评价具有较大影响,单平面滑动的稳定分析中抗剪强度参数沿层面恒定分布的假定具有一定的局限性;若不考虑结构面抗剪强度参数的劣化,可能导致稳定性计算结果偏于不安全。

复杂地质构造区域软岩层巷道围岩控制技术研究与应用

以软岩层矿井复杂地质构造区域巷道掘进与围岩控制为工程背景,在对巷道围岩应力环境、岩体强度、围岩内部裂隙发育状况详细测定和围岩可锚性试验的基础上,提出"强力锚杆初始支护+破碎围岩注浆加固+高预应力锚索加强支护"的巷道围岩控制技术。实践表明,强力锚杆支护系统与破碎围岩注浆加固相结合的围岩控制方式,是解决复杂地质构造区域软岩层巷道围岩控制难题的有效途径。

极软地层巷道围岩变形机理与控制技术研究

为了解决北皂煤矿海域二采区回风巷围岩强度低、自承能力差、变形速度快、难以维护的难题,从围岩力学特性、软岩巷道流变特性、扰动影响、巷道底鼓、围岩失水风干崩解等方面进行了研究。研究结果表明:在揭示该类巷道围岩变形机制基础上,提出了高强度钢管混凝土支架支护方案,巷道断面采用圆形,钢管混凝土支架支护钢管选用Φ194 mm×8 mm钢管,接头套管选用Φ219 mm×8 mm的钢管,充填标号C40混凝土,支架壁后辅助钢筋网支护和混凝土喷碹支护,监测出支架的变形量为20~80 mm,最大变形也只达到80 mm,支架没有明显变形,钢管混凝土支架支护方案能够控制北皂煤矿海域二采区回风巷围岩变形,保持巷道围岩的稳定。

煤矿井下梳状定向孔钻进技术研究与实践

针对现有松软煤层瓦斯抽采孔成孔性差、抽采距离短、抽采区域小等难题,采用梳状定向孔方法在松软煤层顶底板岩层施工长距离梳状钻孔,实现对松软煤层瓦斯远距离与区域抽采。根据梳状孔在松软煤层施工特点,合理选择梳状孔布孔形式,分析出在松软煤层顶底板岩层中施工梳状定向孔面临开分支、降低钻具摩擦阻力等技术难点。现场试验表明:采用控时连续滑钻实现梳状孔在岩层开分支,通过优化钻孔设计与高精度控制钻孔轨迹可有效降低钻具摩擦阻力,提高梳状孔施工安全性,可满足最大孔深大于500 m和岩层开分支施工要求。

深部矿井煤系地层软岩蠕变特征试验

采用在预定围压下先固结后径向卸载的三轴蠕变试验方法,模拟软岩巷道开挖过程应力状态变化,通过三轴卸载剪切蠕变试验表明随剪应力水平的降低蠕变速率显著减小.当剪切应力高于一临界值时,深部矿井软岩蠕变过程历经减速、定常和加速蠕变三个阶段破坏.根据试验结果,为描述非线性加速阶段蠕变规律,采用改进的元件,提出了软岩非线性的黏弹塑蠕变本构模型,通过有限元本构程序的二次开发,将提出的本构模型嵌入到ADINA非线性有限元程序中.对某矿井巷道软岩开挖支护过程进行数值模拟,表明弹黏塑蠕变本构力学模型能够较好地反映软岩的变形特征,数值模拟和实测结果吻合良好,可为矿井深部软岩巷道设计与施工提供参考.

三软煤层综放工作面覆岩垮落及裂隙导水特征分析

通过大南湖一矿三软煤层工程地质条件及煤岩物理力学参数的综合分析与测定,开展了对应条件下的物理相似模拟,分析了综放工作面围岩运移及覆岩破坏高度,探索了现场支架实测阻力与覆岩裂隙导水位置、导水量间的关系。综合分析表明:1303综放工作面顶板垮落带高度为20 m,模型表面裂隙延伸高度观测结果与3D钻孔电视合成的钻孔内壁破裂剖面揭示出的裂隙延伸高度均为98 m,与经验公式计算基本一致。工作面超前影响范围随开采范围而增大,最终趋于稳定。1303综放面工作面划分为两个较为明显的压力集中区,工作面裂隙导水量、导水位置与压力集中区中支架压力变化相关,覆岩裂隙导水显现的位置处在工作面中下部顶板压力集中显现区(2区)的位置几率较大。建议1303工作面提前疏放上覆含水层以及老窑积水的同时,加强对两个压力集中区(1区和2区)的监测,尤其是2区,密切关注架后顶板垮落情况与工作面淋水量变化,及时的给出来压预警与导水位置及导水量预测。

旗山矿水平岩层软岩巷道破坏过程物理模拟研究

针对深部复杂工程岩体变形破坏的力学行为,以水平层状沉积岩体作为物理模拟的研究对象,开展了软岩巷道变形破坏过程物理模拟试验,研究了水平岩层软岩巷道的裂纹扩展及变形破坏特征。以旗山矿-1 000 m水平轨道联络大巷的地质资料为背景,在试验过程中对模型内部的应力变化进行实时监测,并采用摄像机跟踪记录整个模型的变形过程。结合模型内部关键点的应力场以及试验照片分析了巷道破坏过程中裂纹产生和扩展过程。结果表明:水平岩层软岩巷道在自重应力和构造应力作用下先在底板处产生裂纹,然后在两帮和顶板处产生裂纹,裂纹随荷载增大而扩展并贯通导致巷道整体破坏。